纳米表征技术：分类与应用

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：任何一套纳米测量系统一般都由纳米传感系统、三维（或二维）扫描工作台及其测量系统和信息处理及图像分析技术等三部分组成。因而纳米测量技术的研究内容是纳米测量原理和纳米测量仪器。利用透射电子显微镜对纳米材料的力学性能进行测试就是在原有仪器的基础上赋予的透射电子显微镜新的功能等。随着测量／表征技术的发展和成熟，现代测量系统已经远远超过了过去的那种简单的测量及信号处理技术的观念。

目前，纳米测量技术方法有很多，根据研究对象的不同，可以分为：对材料进行化学成分分析的能量色散X射线EDS能谱、X射线荧光光谱、电子探针微区分析、原子发射光谱及原子吸收光谱、能量损失光谱；对材料物相组成进行分析的X射线衍射、红外及拉曼光谱、核磁共振、顺磁共振等；对材料的结构进行分析的X射线衍射、电子显微镜、电子衍射、近边X射线精细结构光谱等；对材料的表面与界面、微区进行分析的电子显微镜、电子衍射等；对材料的形貌进行分析的各类显微镜（包括扫描电子显微镜、透射及高分辨电子显微镜、扫描隧道显微镜及原子力显微镜等）；对材料尺寸进行分析的粒度分析仪、电子显微镜；还有对材料及器件的各种物理性质（如力学、电学、热学、磁学等性质）进行分析的测量仪器。

任何一套纳米测量系统一般都由纳米传感系统、三维（或二维）扫描工作台及其测量系统（即扫描测试系统）和信息处理及图像分析技术等三部分组成。因而纳米测量技术的研究内容是纳米测量原理和纳米测量仪器。纳米测量需解决的关键技术有以下几个方面：①新型纳米测量原理、纳米测量方法的研究；②新型纳米测量系统的开发、设计和制造，在实际测量系统设计中，特别关注测量的重复性、分辨率／精度和动态范围三个指标；③纳米级或亚纳米级探针的制造技术；④微悬臂-探针-样品之间相互作用模型的研究；⑤纳米测量系统中恒值（如恒流、恒力等）控制处理技术；⑥干涉、衍射图像的计算机处理技术；⑦纳米测量系统中非线性补偿技术，如压电陶瓷的滞迟现象、干涉图像细分术；⑧纳米测量设计的尺寸定标技术等；⑨解决纳米测量环境因素的影响问题，如环境温度的影响、外界振动的影响、外界磁场的干扰等。

当所有的研究集中在与原子和分子的尺寸相当的纳米尺度时，许多宏观的原理和物质的宏观性质已经不再适用，因此在纳米测量或者表征仪器的设计中迫切需要发展和寻求新的测量原理和方法。利用新的测量原理主要体现在两个方面：其一是利用建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果，将其应用于测量系统中；其二是将现有的技术赋予新的应用。例如隧道电流、近场引力等新的原理使得近十年来发展起来的扫描隧道显微镜和原子力显微镜不仅可以观察到单个原子，还可以作为一个机械手来移动表面的原子进行微细加工，甚至测量微细材料表面的电学、磁学、力学性能，大大促进了纳米科学技术的发展。利用透射电子显微镜对纳米材料的力学性能进行测试就是在原有仪器的基础上赋予的透射电子显微镜新的功能等。而在光学测量领域，除了激光器的出现将光学测量带入一个新纪元外，还没有代表性的新原理出现。这是因为光学测量技术是以大量的物理学知识为基础，而在整个物理系统已经接近完美的今天，探索新的原理就显得相当困难。因此紫外可见吸收光谱和红外光谱仍然在纳米测量科技中发挥着重要作用。对于这类测量技术，我们能做的就是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题，分析各种测试技术，提出改进的措施或新的测试方法。

随着测量／表征技术的发展和成熟，现代测量系统已经远远超过了过去的那种简单的测量及信号处理技术的观念。伴随着高精度、实时动态策略要求的出现和不断提高，很多新的理论引入到测量仪器的设计中。如：光、机、电与计算机技术的结合早已成为仪器设计中最常用的手段；测量和控制技术已经成为一个完整的有机结合体；大系统的概念、人机工程学的概念、模糊理论、自适应原则等也融入了现代测量仪器的设计中。这一方面要求测量仪器的设计者具备更为广阔的理论基础、需要更多的人进行分工合作；但另一方面，也为测量仪器的使用者提供了最大可能的智能化、自动化，使得仪器的使用更为方便。

纳米表征技术：分类与应用

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